Система управления объектом с упругими связями

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиин

Социалистические

Республик

<)))941923 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (53)M. Кл. (22)Заявлено 30.12.80 (21) 3228588/18-24 с присоединением заявки М

G 05 В 11/01

3Ьеударстеиный квинтет

СССР ао делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 07.07.82.. Бюллетень Ме 25

Дата опубликования описания 07. 07 . 82 (») УДК 62. 50 (088. 8) l0. А. Борцов, В. А. Васильев, В. Б. Второв, Н. Д. Поляхов, В. В. Путов, А. А. Корбут и В. А. Яковлев (72) Авторы изобретения

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт ин. В. И. Упнянааа (Ленина) (7!) Заявитель (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ С УПРУГИМИ

СВЯЗЯМИ

15 го

Изобретение относится к автомати ческому управлению и может быть использовано для управления электромеханическими объектами, в том числе нестационарными многомассовыми

5 с упругими связями, выход и промежуточные переменные которого не все доступны измерению с помощью датчиков, например в системах управления исполнительными органами механиз- 1О мов промышленных роботов, металлорежущих станков и др.

Известно устройство, используемое для управления объектом с упругой связью, содержащее последовательные соединенные регулятор, силовой преобразователь, исполнительный двигатель, механическую передачу и механизм. Для ограничения колебаний в упругой связи механизма он снабжен дополнительным контуром, состоящим из датчика тока, подключенного через диодный мост, ин вертирующее з вено и потенциометр к блоку регулируемого токоограничения, воздействующего на обратную связь регулятора.

Кроме того, с целью ограничения динамических нагрузок, возникающих из-за зазора, организован дополнительный контур, воздействующий на регулируемое токоограничение, и образованный датчиком обратной связи, присоединенным к выходу механизма, дифференцирующим блоком и последовательным мостом f1 ).

Однако укаэанное устройство обладает малой устойчивостью,в области резонансных частот, низкой помехозащищенностью.

Наиболее близкой к предложенной является система управления объектом, содержащая последовательно соединенные блок задающего сигнала, регулятор, усилитель мощности и исполнительный двигатель, соединенный с объектом управления, имеющим дат.

3 чик измерения промежуточной переменной. При этом, с целью повышения устойчивости и быстродействия при управлении объектом, она включает масштабирующий сумматор и последовательно соединенные идентификатор состояния объекта, измеритель ошибки и блок Формирования сигнала управления, выход которого соединен со вторым входом регулятора, один вход идентификатора состояния объекта соединен с выходом датчика промежуточной крординаты, второй вход соединен с выходом регулятора, второй выход идентификатора состояния соединен со входом блока масштабных коэффициентов, выход последнего соединен с третьим входом регулятора и со вторым входом блока формирования сигнала управления, а второй вход измерителя ошибки подключен к выходу блока вадавваего сигнала f2) 94 (923

Поставленная цель достигается тем, что в систему управления, содержащую последовательно соединенные задатчик, регулятор, исполнительный механизм, подключенный к объекту, выход которого через последовательно соединенные дат чи к, иден тифи катор состояния объекта, первый измеритель ошибки и формирователь сигнала

10 управления, выход которого подключен ко второму входу регулятора, выход которого подключен ко второму входу идентифи катора состояния объект а, лятора, первый вход которого соединен с вторым входом первого измерителя ошибки, введены последовательно соединенные второй измеритель ошибки, формирователь сигнала кор20 рекции и блок масштабных коэффициентов, выход которого подключен к второй выход которого через сумма35 тор соединен с третьим входом регу50

Однако в указанной системе управления при значительном изменении параметров объекта и(или) при их изменении со скоростями, сравнимыми с быстродействием основного контура управления по ошибке, а также при существенном влиянии нелинейностей (т. е. при большом отклонении поведения объекта от линейного характера) работа идентификатора нарушается. При этом корректирующее действие контура, образованного измерителем ошибки, блоком формирования сигнала управления и регулятором, недостаточно для восстановления работоспособности идентификатора при нарушающем его работу влиянии указанных факторов. Это происходит потому, что еще одно предназначение указанных блоков состоит в обеспечении устойчивости основного контура управления объектом по ошибке, и поэтому усиление этих блоков для осуществления ими корректирующего воздействия на идентификатор не могут быть выбраны независимо из-эа условия устойчивости основного контура управления.

Целью изобретения является расширение области применения системы управления объектом, выход и промежуточные переменные которого не все доступны измерению, в условиях переменности его параметров и влияния нелинейностей. а

35 б

g5 треть.му входу идентификатора состоя . ния объекта, третий выход которого соединен с первым входом второго измерителя ошибки, второй вход которого соединен с выходом датчика, а второй вход формирователя сигнала коррекции - с выходом первого измерителя ошибки.

В предложеннои системе посредством вновь вводимых блоков и связей образуются два дополнительных контура коррекции идентификатора. Первый корректирующий контур, состоящий иэ первого измерителя ошибки, Формирователя сигнала коррекции и блока масштабных коэффициентов, осуществляет коррекцию идентификатора по сигналу ошибки управления, создаваемой разностью сигналов выхода задатчика и выхода идентификатора, вырабатывающего оценку той физической переменной объекта, которая должна контролироваться в процессе управления, приобретая смысл выходноГ координаты объекта, недоступной непосредственному измерению.

Второй корректирующий контур, состоящий из второго измерителя ошибки, формирователя сигнала коррекции и блока масштабных коэффициентов, осуществляет коррекцию идентификатора по сигналу ошибки промежуточной переменной, создаваемой разностью сигналов непосредственно измеренной с помощью датчика промежуточной переменной и ее оценки, вырабатывае5 941 мой идентификатором состояния по ,своему третьему выходу. Блок формиро вания сигнала коррекции имеет большой коэффициент усиления с ограничением выходного сигнала по амплитуде, 5 определяемой из условия удовлетворительной работы дополнительных контуров, чем обеспечивается быстрая и эффективная коррекция оценок восстанавливаемых идентификатором пе- 10 ременных объекта при отклонении их от правильных значений из-за влияния изменения параметров и нелинейностей. Это расширяет область применения предлагаемой системы управле- 15 ния.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемой системы управления, на фиг. 2-принципиальная схема примера конкретного исполнения zo системы управления; на фиг. 3-5 осциллограммы переходных процессов при управлении упругим нестационарным электромеханическим объектом в предлагаемой системе. 25

Система управления в соответствии с функциональной схемой (фиг. 1) содержит задатчик 1, регулятор 2, исполнительный механизм 3, объект 4 управления, датчик 5, идентификатор

6 состояния объекта, первый измеритель 7 ошибки, формирователь 8 сигнала управления, сумматор 9, второй измеритель 10 ошибки, формирователь 11 сигнала коррекции и блок

12 масштабных коэффициентов.

Система управления, например, с нестационарным резонансным упругим механическим объектом с нелинейными свойствами работает следующим обра- 40 зом.

Задатчик 1 вырабатывает командный сигнал, который через регулятор

2 и исполнительный механизм 3 воздействует на объект управления 4, в котором возбуждаются резонансные колебания. Идентификатор состояния объекта 6 получает сигнал от датчика промежуточной переменной объекта, например одной из обобщенных

50 скоростей объекта, в которой содержится (скрытая) информация о дви- жении всех остальных (2m-1) независимых переменных состояния объекта, недоступных непосредственному измерению. Здесь m - число степе55 ней свободы объекта, именно m упругих моментов, соответствующих

m механическим резонансам и m обоб923 6 щенных скоростей, соответствующих

m сосредоточенным массам, à 2m-и порядок дифференциального управления объекта. Для обеспечения быстродействующей и устойчивой отработки объектом задающего сигнала идентификатор состояния 6 вырабатывает (восстанавливает) оценки всех и независимых переменных, как недоступных измерению, так и измеренных, которые подаются в сумматор 9, формирующий линейную комбинацию из восстановленных идентификатором 6 переменных с заданными весовыми масш. табными коэффициентами. Сформированный сумматором 9 сигнал через регулятор 2 и исполнительный механизм 3 воздействует на объект 4, подавляя принудительным образом его упругие колебания (резонансы) с помощью исполнительного механизма 3. При этом обеспечивается устойчивое движение объекта с полосой пропускания, перекрывающей область его резонансных частот. Таким образом, блоки—

6 и 9 образуют внутренний контур управления по восстановленным переменным состояния объекта, а выбором масштабных коэффициентов сумматора

9 обеспечивается устойчивость работы в области резонансных частот с наперед заданным быстродействием.

Далее на вход первого измерителя 7 ошибки с выхода идентификатора

6 подается си гнал, соот вет ст вующий оценке некоторой переменной объекта, пропорциональной или равной той физической координате, которая должна контролироваться в гроцессе управления в соответствии с задающим сигналом, приобретая смысл выхода объекта управления недоступного непосредственному измерению (например, обобщенной скорости сосредоточенной массы

Э жестко связанной с рабочим инструментом механизма). Оценка идентификатором 6 выходной координаты объекта 4 сравнивается в измерителе 7 с задающим сигналом, а измеренная ошибка поступает в формирователь В сигнала управления, представляющего собой безынерционный усилитель с большим усилением и ограничением (с характеристикой близкой к релейной), Сформированный формирователем 8 сигнал управления также поступает на вход регулятора 2. Таким образом, блоки 2 — 8 образуют второй, внешний

"1923 8 контур управления по ошибке (отклонению восстановленной выходной координаты объекта от задающего сигнала)

Регулятор 2 имеет пропорциональноинтегральную характеристику, чем при соответствующей настройке обеспечиваются астатические свойства и максимальное усиление контура управления по ошибке и достигается предельное, с учетом ограничения ресурсов исполнительного механизма 3, быстродействие, перекрывающее область резонансных частот, с сохранением устойчивости, гарантированной внутренним контуром управления по состоя нию, описанным выше.

Идентификатор состояния 6, выраба тывающий оценки и переменных объекта построен по известным алгоритмам, в соответствии с которыми имеет два входа (один, подключенный,.к выходу регулятора 2, и второй, подключенный к выходу датчика 5) и извест-. ную структуру, содержащую и подблоков (интеграторов), вырабатывающих и переменных объекта. При этом его работа рассчитана на линейность и стационарность характеристик объекта, и при изменении параметров и отклонении от линейности объекта вырабатываемые идентификатором 6 оценки переменных отклоняются от их действительных значений и работа системы нарушается. Поэтому для коррекции работы идентификатора введены второй измеритель 10 ошибки, формирователь 11 сигнала коррекции и блок 12 масштабных коэффициентов.

Во втором, измерителе 10 ошибки срав. ниваются сигналы переменной, непосредственно измеренной датчиком 5, и ее оценки, вырабатываемой идентификатором 6. Их разность, вырабатываемая измерителем 10 и характеризующая неточность работы идентификатора 6, поступает на вход формирователя 11 сигнала коррекции, представляющего собой безынерционный усилитель с большим усилением и ограничением. Одновременно на второй вход формирователя ll сигнала коррек ции поступает сигнал с выхода первого измерителя 7 ошибки, характеризующий степень нарушения работы контура управления по ошибке управления всей системы в целом, вызванной нарушением работы идентификатора. Сформированный формирователем

-15

11 сигнал коррекции поступает в блок масштабных коэффициентов 12, который подает этот корректирующий сигнал с соответствующими. масштабными коэффициентами (весами) на входы каждого из и подблоков (интеграторов) идентификатора 6, обеспечивая принудительное согласование его оценок переменных с их действительными значениями в условиях любого характера изменения параметров объекта и его нелинейностей. Таким образом, при введении новых блоков 10-12 и соответствующих связей образуются два дополнительных контура, корректирующих работу идентификатора б.. Первый контур коррекции идентификатора по ошибке управления выходом объекта образуется блоками 7, 11 и 12. Второй контур коррекции идентификатора по ошибке идентификации измеряемой переменной объекта образуется блоками 10 — 12.

При этом вновь введенные .блоки и связи обеспечивают работоспособ, ность идентификатора и предлагаемой

3 системы в целом в условиях переменности параметров объекта и нелинейностей, что расширяет область применения предлагаемой системы управления.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема системы управления, взятая в качестве примера конкретной реализации изобретения. Задатчик 1 может быть реализован, например, с помощью переменного сопротивления. Исполнительный механизм 3 представляет собой систему (управляемый силовой тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока) . Объект управления 4 представляет собой механическую вращающую упругую систему (зазор - пружина - инерционная нагрузка), соединенную с двигателем, инерционный ротор которого образует с объектом двухмассовую систему, динамика которой характеризуется следующими переменными: ц/ - частота вращения ротора двигателя, Му — упругий момент кручения пружины, И - частота вращения инерционной нагрузки.

Датчик промежуточной переменной 5 представляет собой тахогенератор, жестко связанный с ротором двигателя и измеряющий tUq.

Остальные блоки 2 - 12 реализова- ны на микросхемах операционных уси41923 10

35 х

45

9 9 лителей (ОУ ) 134 — 13 с С- цепями.

Регулятор 2 выполнен на ОУ 13 с

ЦС-обратной связью и тремя резистивными входами. Идентификатор состояния объекта выполнен на семи ОУ 132

13, 13, причем подблоки идентификатора (интеграторы), вырабатывающие оценки переменных @1, А> и ф, выполнены соответственно на

13, 13,1 и 13 с емкостными обратными связями, усилители 13, 13, 1 3>, 1 3 — ин верт ирующие . Оценки переменных идентификатора подаются на масштабирующий сумматор 9, выполненный на ОУ 13 с тремя резистивными входами, а блок масштабных коэф фициентов 12 представляет собой три резистивные цепи, подключающие выход формирователя 11 сигнала коррекции к входам интеграторов идентификатора. Кроме того, выход интегратора

13 идентификатора, восстанавливающего незимеряемый выход объекта

Й3„, подключен к реэистивному входу первого измерителя ошибки 7, выполненного на ОУ 10, второй вход которого подключен к блоку 1. Выход I3 идентификатора, вырабатывающего оценку промежуточной переменной

164, подключен к резистивноиу входу второго измерителя ошибки 10, выполненному на ОУ 13я, второй вход которого подключен к датчику 5. Формирователи сигнала 8 управления и сигнала 11 коррекции выполнены соответственно на операционных усилителя

13„,1 и 13 с большиии коэффициентами усиления и ограничениями по амплитуде выходных сигналов обоих знаков посредством стабилитронных цепей V, V< и V4, Vg. на полупроводниковых элементах КС 156 А. Остальные неупомянутые связи, показан" ные на принципиальной схеме, соответствуют функциональной схеме, приведенной на фиг. 1.

На фиг. 3 — 5 приведены осциллограммы процессов по управлению частотой вращения двухмассового упругого электромеханического стенда в предлагаемой системе управления, реализованной по схеме, показанной на фиг. 2. На фиг. 3 и фиг.4 показаны процессы оценок недоступных измерению в реальных условиях упругого момента M и частоты вращения второй массыЖ g. На фиг. 3 (слева) показан характер изменения оценки идентификатора А> без блоков

10 - 12, а справа - при включении укаэанных блоков. Справа имеем пол" ное совпадение характера изменения, оценки 4 с характером действительной переменной M>, измеряемой специальным датчиком упругого момента, предусмотренным в лабораторных условиях на электромеханическом стенде, тогда как слева заметно сильное отклонение оценки от характера изменения самой переменной Мч. На фиг. 4 показан характер изменения л оценки ии<, причем слева - без блоков 10 - 12, а справа — при включении указанных блоков. Здесь также наблюдается справа удовлетворительи ное совпадение оценки Ч3 с характером изменения самой переменной

Ы, вырабатываемой специальным датчиком частоты вращения, предусмотренным в лабораторных условиях на стенде, тогда как слева оценка п

Uu без блоков 10 - 12 сильно расходится с характером самой Ю .

На фиг. 5 приведены осциллограммы процессов поуправлению частотой вращения неизмеряемой координаты ии (от скачкообразного воздействия): слева - в системе управления без блоков 10 — 12, а справа с блоками коррекции 10 — 12. Слева наблюдаются упругие нелинейные колебания второй массы с частотой

6-7 Гц (частота резонанса смещается влево из-за влияния зазора), и регулилование заканчивается эа

0,15-0,2 с. Справа переходный процесс имеет приемлемую форму и заканчивается практически за время первого согласования (0,01 с), что соответствует полосе пропускания не менее 35-40 Гц.

Внедрение данной системы управления для исполнительных органов станков с ЧПУ создаст экономический эффект в размере 99 тыс. руб. в год

Формула изобретения

Система управления объектом с упругими связяии, содержащая последовательно соединенные эадатчик, регулятор, исполнительный механизм, подключенный к объекту, выход которого через последовательно соединенные датчик, идентификатор состояния

11 94192 объекта, первый измеритель ошибки и формирователь сигнала управления, выход которого подключен ко второму входу регулятора, выход которого подключен ко второму входу идентификатора состояния объекта, второй выход которого через сумматор соединен с .третьим входом регулятора, первый вход которого соединен с вторым входом первого измерителя ошибки, 1о о т л и ч а е щ а я с я тем, что, с целью расширения области применения системы, в нее введены последовательно соединенные второй измери- тель ошибки, формирователь сигнала 1з коррекции и блок масштабных коэффи1

3 12 циентов, выход которого подключен к третьему входу идентификатора состояния объекта, третий выход которого соединен с первым входом второго измерителя ошибки, второй вход которого соединен с выходом датчика, а второй вход формирователя сигнала коррекции - с выходом первого измерителя ошибки.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Авторсков свидетельство СССР

М 585583, кл. Н 02 P 5/06, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке N 2700948/18-24, кл. G 05 В 11/О 1, 1978.

941923 л

Фу,tl

Фиг 5

4 иг. 4

Составитель В. Грибова

Техред Т. Маточка

Корректор М, Коста Редактор 0. Коссей

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4834/34 Тираж 914

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5